Source: https://live-bioenergy.ws.asu.edu/content/why-study-photosynthesis
Што е фотосинтеза?
Фотосинтезата е веројатно најважниот биолошки процес на земјата. По ослободувањето на кислород и конзумирање на јаглерод диоксид, што го претвора во свет во атмосфера на животната средина го знаеме денес. Директно или индиректно, фотосинтеза исполнува сите наши потреби за храна и многу од нашите потреби за влакна и градежни материјали. Енергијата складирана во нафта, природен гас и јаглен сите доаѓаа од сонцето преку фотосинтеза, како што на енергија во огревно дрво, што е голем гориво во многу делови на светот. Ова е случај, научни истражувања во фотосинтезата е од витално значење. Ако можеме да се разбере и контрола на сложеноста на процесот на фотосинтеза, можеме да научиме како да ги зголемат приносите на храна, влакна, дрво, и гориво, и тоа како подобро да ги користат нашите земји. тајни на енергија бербата на растенијата може да се прилагоди на вештачки системи кои обезбедуваат нови, ефикасни начини да ги собира и користи соларна енергија. Овие истите физички “технологии” може да го посочат патот кон дизајнот на нови, побрзо, и повеќе компактен компјутери, па дури и нови медицински откритија. Бидејќи фотосинтеза помага во контролата на составот на атмосферата, разбирање на фотосинтезата е од суштинско значење за разбирање на тоа како јаглерод диоксид и други “стакленички гасови” влијаат на глобалната клима. Во овој документ, ние ќе се истражуваат накратко секоја од областите наведени погоре, и ги илустрираат како фотосинтезата истражување е од клучно значење за одржување и подобрување на квалитетот на нашиот живот.
Фотосинтезата и храна. Сите наши биолошки енергетски потреби се исполнети со растителното царство, или директно или преку тревојади животни. Растенија за возврат да добие енергија за да се синтетизираат прехранбени производи преку фотосинтеза. Иако растенија подготви потребните материјали од почвата и вода и јаглерод диоксид од воздухот, енергетските потреби на фабриката се полни со сончева светлина. Сончевата светлина е чиста енергија. Сепак, самиот сончева светлина не е многу корисна форма на енергија; тоа не може да се јаде, тоа не може да се претвори dynamos, и тоа не може да се чуваат. Да биде од корист, енергијата во сончева светлина треба да се конвертира во други форми. Тоа е она што фотосинтезата е за сите. Тоа е процес со кој растенија промена на енергија во сончева светлина за да видови на енергија што може да се чуваат за подоцнежна употреба. Растенија се спроведе овој процес во photosynthetic реакција центри. Овие мали единици се наоѓаат во лисјата, и претворање на светлината енергија за хемиска енергија, која е форма се користи од страна на сите живи организми. Една од главните процеси на енергија бербата во растенијата вклучува користење на енергијата на сончева светлина за да претворање на јаглерод диоксид од воздухот во шеќери, скроб и други високо-енергетски јагленохидрати. Кислородот е ослободен во процесот. Подоцна, кога фабриката треба храна, таа се базира на енергија складирана во овие јаглехидрати. Ние го правиме истото. Кога јадеме чинија со шпагети, нашите тела се оксидираат или “изгори” на скроб од тоа што овозможува да се комбинираат со кислород од воздухот. Ова создава јаглерод диоксид, што ние издишување и енергија што треба да се преживее. Така, ако не постои фотосинтеза, нема храна. Всушност, една општо прифатена теорија објаснува изумирање на диносаурусите укажува на тоа дека комета, метеор, или вулканот исфрлена толку многу материјал во атмосферата што количината на сончева светлина да стигне на земјата е сериозно намалена. Ова, пак, ја предизвика смртта на многу растенија и суштества што зависело од нив за енергија.
Фотосинтезата и енергија. Еден од јаглехидрати кои произлегуваат од фотосинтезата е целулоза, што го сочинуваат најголемиот дел од суво дрво и други растителни материјали. Кога ќе изгори дрво, ние се конвертира целулоза врати на јаглерод диоксид и ослободување на складирана енергија како топлина. Согорување на гориво е во основа на истиот процес на оксидација што се случува во нашето тело; Тоа ослободува енергијата на “чуваат сонце” во корисна форма, и се враќа на јаглерод диоксид во атмосферата. Енергија од горење “биомаса” е важно во многу делови на светот. Во земјите во развој, огревно дрво продолжува да биде од клучно значење за опстанок. Етанол (жито алкохол) произведена од шеќери и скроб, по пат на ферментација е голем горивото за автомобили во Бразил, и се додава на бензин во некои делови на САД да помогне да се намалат емисиите на штетни загадувачи. Етанол е исто така лесно конвертира на етилен, кој служи како суровина за голем дел од петрохемиската индустрија. Можно е да конвертирате целулоза во шеќер, а потоа и во етанол; разни микроорганизми се спроведе овој процес. Тоа може да биде комерцијално важен ден.
Нашите главни извори на енергија, се разбира, се јаглен, нафта и природен гас. сите овие материјали се добиени од древните растенија и животни, и се чуваат во нив енергија е хемиска енергија, која првично дојде од сончева светлина по пат на фотосинтеза. Така, повеќето од енергијата што ја користиме денес беше првично соларна енергија!
Фотосинтеза, влакна и материјали. Дрво, се разбира, не е само изгорени, но е важен материјал за изградба и многу други намени. Хартија, на пример, е речиси чиста photosynthetically произведува целулоза, како памук и многу други природни влакна. Дури и произвотство на волна зависи photosynthetically добиени енергија. Всушност, сите растителни и животински производи, вклучувајќи многу лекови и лекови бара енергија за да се произведе, а таа енергија доаѓа на крајот од сончевата светлина преку фотосинтеза. Многу од нашите други материјали потреби се исполнети од страна на пластика и синтетички влакна, кои се произведени од нафта, и на тој начин се, исто така, photosynthetic потекло. Дури и многу од нашите метални рафинирање зависи на крајот на јаглен или други photosynthetic производи. Всушност, тоа е тешко за името на економски значаен материјал или материја, чие постоење и корисност не е на некој начин поврзана со фотосинтеза.
Фотосинтезата и животната средина. Во моментов, има многу на дискусија во поглед на можните ефекти на јаглерод диоксид и други “стакленички гасови” врз животната средина. Како што споменавме погоре, фотосинтеза претвора јаглерод диоксид од воздухот на јаглехидрати и други видови на “фиксна” јаглерод и соопштенија кислород во атмосферата. Кога ќе изгори огревно дрво, етанол, или јаглен, нафта и други фосилни горива, кислород се троши, и јаглерод диоксид се ослободува назад во атмосферата. Така, јаглерод диоксид, што беше отстранет од атмосферата во текот на милиони години се заменува многу брзо преку нашите потрошувачката на овие горива. Зголемувањето на јаглерод диоксид и сродни гасови е обврзана да влијае на нашата атмосфера. Тоа ќе се промени да бидат големи или мали, и тоа ќе биде штетен или корисен? Овие прашања се активно се изучува од страна на многу научници денес. Одговорите ќе зависи силно на ефектот на фотосинтеза врши по копно и море организми. Фотосинтеза троши јаглерод диоксид и ослободуваат кислород, тоа им помага да возврати на ефектот на согорување на фосилните горива. Согорувањето на фосилните горива за медиумите не само јаглерод диоксид, но, исто така, јаглеводороди, азотни оксиди и други трага материи кои ја загадуваат атмосферата и да придонесе за долгорочни здравствени и еколошки проблеми. Овие проблеми се последица на фактот што природата го избрал да ја имплементира фотосинтеза преку пренамена на јаглерод диоксид за енергетски богат материјали како што се јаглехидрати. Може принципите на photosynthetic собирање на сончевата енергија се користи во некои начин за производство на не-загадувачките горива или извори на енергија? Одговорот, како што ќе видиме, е да.
Зошто проучување на фотосинтеза?
Поради квалитетот на нашиот живот, и навистина многу нашето постоење, зависи од фотосинтезата, тоа е од суштинско значење дека ние го разбере. Преку разбирањето, ние може да се избегне негативно да влијаат на процесот и таложење на животната средина или еколошките катастрофи. Преку разбирањето, ние исто така може да научат да ги контролираат фотосинтеза, а со тоа и подобрување на производството на храна, влакна и енергија. Разбирање на процесот, која е развиена од страна на растенијата во текот на неколку милијарди години, исто така, ќе ни овозможи да ги користите основните хемија и физика на фотосинтезата за други цели, како што се соларната енергија конверзија, на дизајнот на електронските кола, како и развој на лекови и дрога. Некои примери се следат.
Фотосинтезата и земјоделството. Иако фотосинтеза има заинтересирани човештвото со еони, брзиот напредок во разбирањето на процесот дојде во последните неколку години. Една од работите кои ги научив е дека во целост, фотосинтезата е релативно неефикасни. На пример, врз основа на количината на јаглерод утврден од страна на поле со пченка во текот на типична сезоната на растење, само околу 1 – 2% од сончевата енергија паѓа на теренот е повторно како нов photosynthetic производи. Ефикасноста на необработеното растителниот свет е само околу 0,2%. Во шеќерна трска, која е една од најефикасните растенија, околу 8% од светлината се апсорбира од страна на растенијата е зачувана како хемиска енергија. Многу растенија, особено оние кои се со потекло од умерените зони, како што повеќето од САД, се подложи на процес наречен photorespiration. Ова е еден вид на “краток спој” на фотосинтеза што ги троши многу на photosynthetic енергија растенија. Феноменот на photorespiration вклучува и неговата функција, доколку ги има, е само еден од многуте загатки кои се соочува истражувач на фотосинтеза.
Ако можеме да се разбере целосно процеси, како photorespiration, ќе имаме можност да ги менуваат. Така, поефикасно растенија може да биде дизајнирана. Иако нови сорти на растенија се развиваат со векови преку селективно одгледување, техниките на модерната молекуларна биологија се забрза процесот неверојатно. Фотосинтезата истражување може да ни покаже како да се произведат нови видови култура која ќе го направи многу подобра употреба на сончевата светлина се апсорбира. Истражување во овие редови е од клучно значење, бидејќи последните истражувања покажуваат дека земјоделското производство е израмнување надвор во време кога побарувачката за храна и други земјоделски производи рапидно се зголемува.
Бидејќи растенијата зависи од фотосинтезата за нивниот опстанок, се меша со фотосинтезата може да убие растението. Ова е основата на неколку важни хербициди, кои дејствуваат преку спречување на одредени значајни чекори на фотосинтеза. Разбирањето на деталите на фотосинтезата може да доведе до дизајн на нови, крајно селективен хербициди и раст на растенијата регулатори, кои имаат потенцијал да бидат безбедни за животната средина (особено за животот на животните, кои не врши фотосинтеза). Всушност, тоа е можно да се развие нова култура растенија кои се отпорни на одредени хербициди, и на тој начин да се постигне плевел контрола специфични за еден вид култура.
Фотосинтеза и производство на енергија. Како што е опишано погоре, повеќето од сегашните енергетски потреби се исполнети од страна на фотосинтеза, антички или модерни. Зголемување на ефикасноста на природни фотосинтеза исто така може да го зголеми производството на етанол и други горива добиени од земјоделството. Сепак, знаење стекнато со истражување на фотосинтеза, исто така може да се користи за подобрување на производството на електрична енергија во многу директен начин. Иако целокупниот процес на фотосинтеза е релативно непотребното, претходните чекори во имплементацијата на сончева светлина за да хемиска енергија се доста ефикасни. Зошто да не научат да се разбере основните хемија и физика на фотосинтеза, и да ги користат истите овие принципи да се изгради вештачки уреди соларна енергија бербата? Ова е сон на хемичари со години, но сега е блиску до тоа да стане реалност. Во лабораторија, научниците сега може да се синтетизира вештачки photosynthetic реакција центри кои ривал на природните во однос на износот на сончева светлина се чуваат како хемиската индустрија или електрична енергија. Повеќе истражувања ќе доведе до развој на нови, ефикасни технологии соларна енергија бербата врз основа на природен процес.
Улогата на фотосинтезата во контрола на животната средина. Како функционира фотосинтезата во умерените и тропски шуми и во морето влијае на количеството на стакленички гасови во атмосферата? Ова е важен и контроверзно прашање денес. Како што споменавме погоре, фотосинтеза од растенија отстранува јаглерод диоксид од атмосферата и го заменува со кислород. Така, тоа ќе имаат тенденција да се ублажат ефектите од јаглерод диоксид ослободен од согорувањето на фосилните горива. Сепак, прашањето е комплицирана од фактот дека растенијата се реагира на количината на јаглерод диоксид во атмосферата. Некои растенија, се чини дека растат побрзо во атмосфера богата со јаглерод диоксид, но тоа не може да биде вистина од сите видови. Разбирањето на ефектот на стакленички гасови бара многу подобро познавање на интеракција на растителното царство со јаглерод диоксид отколку што имаме денес. Горење растенија и растителни производи, како што се нафта соопштенија јаглерод диоксид и други нуспроизводи како јаглеводороди и азотни оксиди. Сепак, загадувањето предизвикано од овие материјали не е неопходен производ на соларни користење на енергијата. вештачки photosynthetic реакција центри дискутирано погоре произведува енергија без да откриваме нуспроизводи, освен топлина. Тие имаат потенцијал за производство на чиста енергија во форма на електрична енергија или водород гориво без загадување. Спроведувањето на таквите соларна енергија бербата уреди ќе се спречи загадувањето на изворот, што е секако најефикасен пристап за контрола.
Фотосинтезата и електроника. На прв поглед, фотосинтеза би се чини дека нема поврзаност со дизајн на компјутери и други електронски уреди. Сепак, постои потенцијално многу силна врска. А целта на истражувањето модерната електроника е да се направи транзистори и други компоненти коло како мали како е можно. Мали уреди и кратки врски меѓу нив направи компјутери побрзо и компактен. Најмалиот можен единица од материјал е молекула (составени од атоми на различни видови). Така, на најмалите можни Транзистор е една молекула (или атом). Многу истражувачи денес се истражува интересна можност за изработка на електронски компоненти од еден молекули или мали групи на молекули. Друга многу активна област на истражување е од компјутери кои користат светлина, наместо електрони, како медиум за вршење на информации. Во принцип, компјутери светло-базирани имаат неколку предности во однос на традиционалните дизајни, како и повеќето од нашите телефонски пренос и преклопни мрежи веќе работат преку оптичките влакна. Што значи овој треба да направите со фотосинтеза? Излегува дека photosynthetic реакција центри се природни фотохемиски прекинувачи на молекуларни димензии. Учењето како растенија апсорбираат светлина, контрола на движењето на добиената енергија за реакцијата центри, и претворање на светлосната енергија во електрична, и конечно хемиска енергија може да ни помогне да се разбере како да се направи молекуларна скала компјутери. Всушност, неколку молекуларна електронски елементи логика базирана на вештачка photosynthetic реакција центри веќе се пријавени во научната литература.
Фотосинтезата и медицина. Светлина има многу висока енергетска содржина, и кога се апсорбира од страна на супстанција оваа енергија се претвора во други форми. Кога енергијата завршува во погрешно место, тоа може да предизвика сериозна штета на живите организми. Стареење на кожата и рак на кожата се само два од многуте штетни ефекти на светлина на луѓето и животните. Бидејќи растенијата и други photosynthetic видови се занимаваат со светлина со еони, тие морале да се развие photoprotective механизми за ограничување на светлина штета. Учиме за причини за оштетување на лесни предизвикана ткиво и детали на природните photoprotective механизми може да ни помогне да се најдат начини да се прилагодат на овие процеси во корист на човештвото во области далеку од себе фотосинтеза. На пример, механизам со кој сончевата светлина се апсорбира од страна на photosynthetic хлорофил предизвикува оштетување на ткивото во растенијата се искористи за медицински цели. Супстанции кои се однесуваат хлорофил локализираат природно во канцероген тумор ткиво. Осветлување на тумори со светло потоа доведува до фотохемиски штета која може да убие туморот, оставајќи околното ткиво неповреден. Друга медицинска примена вклучува користење на слични хлорофил роднини да се локализира во туморското ткиво, и на тој начин дејствува како бои кои јасно разграничат границата меѓу канцерогените и здравото ткиво. Оваа дијагностичка помош не предизвикува фотохемиски оштетување на нормалното ткиво, бидејќи принципите на фотосинтезата се користат за да го даваат со заштитни средства што заврши конвертира апсорбира светлина за да се загрее.
Regents’ Professor Emeritus
Заклучоци
Горенаведените примери илустрираат важноста на фотосинтеза како природен процес и влијанието што го има на сите од нашите животи. Истражување во природата на фотосинтезата е од клучно значење, бидејќи само со разбирање на фотосинтеза можеме да го контролираат, како и искористување на сопствените принципи за подобрување на човештвото. Науката има само неодамна развиена основните алатки и техники потребни за да се испита сложени детали за фотосинтеза. Сега е време да се применуваат овие алатки и техники за решавање на проблемот, и да почне да ги користи придобивките од ова истражување